Động năng của Sapsan ở tốc độ tối đa là hơn 1500 megajoules. Để dừng hoàn toàn, tất cả phải được tiêu tán bởi các thiết bị phanh.
Đó là một vấn đề ngay tại Habré. Khá nhiều bài viết đánh giá về chủ đề đường sắt được xuất bản ở đây, nhưng chủ đề này vẫn chưa được đề cập chi tiết. Tôi nghĩ sẽ khá thú vị nếu viết một bài về vấn đề này, và có lẽ nhiều hơn một bài. Vì vậy, tôi hỏi ý kiến của những người quan tâm đến cách thiết kế hệ thống phanh của phương tiện giao thông đường sắt và vì lý do gì mà chúng được thiết kế theo cách này.
1. Lịch sử của phanh hơi
Nhiệm vụ điều khiển bất kỳ phương tiện nào cũng bao gồm việc điều chỉnh tốc độ của nó. Vận tải đường sắt cũng không ngoại lệ; hơn nữa, các đặc điểm thiết kế của nó mang lại những sắc thái quan trọng cho quá trình này. Đoàn tàu bao gồm một số lượng lớn các toa được kết nối với nhau và hệ thống tạo ra có chiều dài và trọng lượng đáng kể với tốc độ rất tốt.
A-priory, phanh là một bộ thiết bị được thiết kế để tạo ra lực cản nhân tạo, có thể điều chỉnh được, dùng để giảm tốc độ của xe một cách có kiểm soát.
Nhìn bề ngoài, cách rõ ràng nhất để tạo ra lực phanh là sử dụng ma sát. Ngay từ đầu cho đến ngày nay, phanh ma sát giày đã được sử dụng. Các thiết bị đặc biệt - má phanh, được làm bằng vật liệu có hệ số ma sát cao, được ép cơ học vào bề mặt lăn của bánh xe (hoặc vào các đĩa đặc biệt gắn trên trục của bộ bánh xe). Lực ma sát xuất hiện giữa các miếng đệm và bánh xe, tạo ra mô men phanh.
Lực phanh được điều chỉnh bằng cách thay đổi lực ép của má phanh vào bánh xe - áp suất phanh. Câu hỏi duy nhất là bộ truyền động nào được dùng để nhấn các miếng đệm, và một phần lịch sử của phanh chính là lịch sử phát triển của bộ dẫn động này.
Hệ thống phanh đường sắt đầu tiên là cơ khí và được vận hành thủ công, riêng biệt trên mỗi toa bởi những người đặc biệt - người phanh hoặc người soát vé. Những người soát vé được đặt trên cái gọi là bệ phanh mà mỗi toa xe đều được trang bị và họ phanh theo tín hiệu của người điều khiển đầu máy. Việc trao đổi tín hiệu giữa người lái tàu và người soát vé được thực hiện bằng một sợi dây tín hiệu đặc biệt căng dọc toàn bộ đoàn tàu, kích hoạt một chiếc còi đặc biệt.
Toa xe chở hàng hai trục cổ điển có má phanh. Núm phanh tay có thể nhìn thấy
Bản thân phanh dẫn động cơ khí có rất ít lực. Lượng áp suất phanh phụ thuộc vào độ bền và độ khéo léo của dây dẫn. Ngoài ra, yếu tố con người đã cản trở hoạt động của hệ thống phanh như vậy - không phải lúc nào người soát vé cũng thực hiện đúng nhiệm vụ của mình. Không cần phải nói về hiệu quả cao của hệ thống phanh như vậy, cũng như sự gia tăng tốc độ của các đoàn tàu được trang bị chúng.
Cần phải phát triển hơn nữa hệ thống phanh, trước hết là tăng áp suất phanh và thứ hai là khả năng điều khiển từ xa trên tất cả các ô tô từ nơi làm việc của người lái.
Bộ truyền động thủy lực được sử dụng trong hệ thống phanh ô tô đã trở nên phổ biến do nó cung cấp áp suất cao với các bộ truyền động nhỏ gọn. Tuy nhiên, khi sử dụng hệ thống như vậy trên tàu hỏa, nhược điểm chính của nó sẽ xuất hiện: cần có một loại chất lỏng làm việc đặc biệt - dầu phanh, việc rò rỉ chất lỏng này là không thể chấp nhận được. Chiều dài lớn của các đường phanh thủy lực trong tàu, cùng với yêu cầu cao về độ kín của chúng, khiến việc tạo ra phanh thủy lực đường sắt là không thể và không hợp lý.
Một điều nữa là ổ đĩa khí nén. Việc sử dụng không khí áp suất cao giúp có thể đạt được áp suất phanh cao với kích thước chấp nhận được của bộ truyền động - xi lanh phanh. Không thiếu chất lỏng làm việc - không khí ở xung quanh chúng ta và ngay cả khi chất lỏng làm việc bị rò rỉ từ hệ thống phanh (và chắc chắn là như vậy), nó có thể được bổ sung tương đối dễ dàng.
Hệ thống phanh đơn giản nhất sử dụng năng lượng khí nén là phanh không tự động tác động trực tiếp
Sơ đồ phanh không tự động tác động trực tiếp: 1 - máy nén; 2 - bể chính; 3 - đường cung cấp; 4 — cần cẩu tàu hỏa; 5 - dây phanh; 6 — xi lanh phanh; 7 — lò xo nhả; 8, 9 - truyền phanh cơ khí; 10 - má phanh.
Để vận hành phanh như vậy, cần phải có nguồn cung cấp khí nén, được lưu trữ trên đầu máy trong một bình đặc biệt gọi là hồ chứa chính (2). Việc bơm không khí vào bể chính và duy trì áp suất không đổi trong đó được thực hiện máy nén (1), được dẫn động bởi nhà máy điện đầu máy. Khí nén được cung cấp cho các thiết bị điều khiển phanh thông qua một đường ống đặc biệt gọi là dinh dưỡng (NM) hoặc áp lực đường cao tốc (3).
Hệ thống phanh của các toa xe được điều khiển và khí nén được cung cấp cho chúng thông qua một đường ống dài chạy xuyên suốt toàn bộ đoàn tàu và được gọi là đường phanh (TM) (5). Khi khí nén được cung cấp qua TM, nó sẽ lấp đầy xi lanh phanh (TC) (6) được kết nối trực tiếp với TM. Khí nén ép lên pít-tông, ép má phanh 10 vào các bánh xe, cả trên đầu máy và toa xe. Phanh xảy ra.
Để ngừng phanh, đó là kỳ nghỉ phanh, cần phải xả không khí từ đường phanh vào khí quyển, điều này sẽ dẫn đến việc các cơ cấu phanh trở về vị trí ban đầu do lực của lò xo nhả lắp trong TC.
Để phanh cần nối dây phanh (TM) với dây cấp liệu (PM). Đối với kỳ nghỉ, kết nối dây phanh với khí quyển. Các chức năng này được thực hiện bởi một thiết bị đặc biệt - cần cẩu tàu hỏa (4)- Khi phanh nó nối PM và PM, khi nhả ra nó ngắt các đường ống này, đồng thời xả không khí từ PM vào khí quyển.
Trong hệ thống như vậy, có một vị trí trung gian thứ ba của cần cẩu người lái - lợp lại mái nhà khi PM và TM được tách ra nhưng không xảy ra việc thoát khí từ TM vào khí quyển thì cần cẩu của người lái sẽ cách ly hoàn toàn nó. Áp suất tích lũy trong TM và TC được duy trì và thời gian duy trì ở mức cài đặt được xác định bởi lượng rò rỉ không khí thông qua các rò rỉ khác nhau, cũng như khả năng chịu nhiệt của má phanh, nóng lên trong quá trình ma sát với lốp bánh xe. Việc đặt nó trên trần xe cả trong khi phanh và khi nhả cho phép bạn điều chỉnh lực phanh theo từng bước. Loại phanh này cung cấp cả phanh bước và nhả bước.
Bất chấp sự đơn giản của hệ thống phanh như vậy, nó vẫn có một sai sót chết người - khi đoàn tàu không được ghép nối, dây phanh bị đứt, không khí thoát ra ngoài và đoàn tàu không có phanh. Chính vì lý do này mà phanh như vậy không thể được sử dụng trong vận tải đường sắt, chi phí hỏng hóc của nó quá cao. Ngay cả khi tàu không bị đứt, nếu rò rỉ khí lớn thì hiệu quả phanh sẽ giảm.
Dựa trên những điều trên, yêu cầu đặt ra là việc phanh tàu được bắt đầu không phải do tăng mà do áp suất trong TM giảm. Nhưng làm thế nào để đổ đầy xi lanh phanh? Điều này dẫn đến yêu cầu thứ hai - mỗi bộ phận chuyển động trên tàu phải dự trữ một nguồn cung cấp khí nén, nguồn cung cấp này phải được bổ sung kịp thời sau mỗi lần phanh.
Tư tưởng kỹ thuật vào cuối thế kỷ 1872 đã đi đến kết luận tương tự, dẫn đến việc George Westinghouse tạo ra hệ thống phanh đường sắt tự động đầu tiên vào năm XNUMX.
Thiết bị phanh Westinghouse: 1 - máy nén; 2 - bể chính; 3 - đường cung cấp; 4 — cần cẩu tàu hỏa; 5 - dây phanh; 6 — bộ phân phối không khí (van ba) của hệ thống Westinghouse; 7 — xi lanh phanh; 8 — thùng dự phòng; 9 - van chặn.
Hình vẽ thể hiện cấu tạo của phanh này (Hình a - hoạt động của phanh khi nhả; b - hoạt động của phanh khi phanh). Bộ phận chính của phanh Westigauze là nhà phân phối khí phanh hoặc, như đôi khi nó được gọi, van ba. Bộ phân phối khí (6) này có một cơ quan nhạy cảm - một piston hoạt động dựa trên sự chênh lệch giữa hai áp suất - trong đường phanh (TM) và bình chứa dự trữ (R). Nếu áp suất trong TM nhỏ hơn trong TC thì pít-tông di chuyển sang trái, mở đường cho không khí từ CM đến TC. Nếu áp suất trong TM lớn hơn áp suất trong SZ, pít-tông sẽ di chuyển sang phải, liên lạc giữa TC với khí quyển, đồng thời liên lạc với TM và SZ, đảm bảo khí nén được nạp đầy từ SZ. TM.
Do đó, nếu áp suất trong TM giảm vì bất kỳ lý do gì, có thể là do hành động của người lái, rò rỉ không khí quá mức từ TM hoặc tàu bị đứt, phanh sẽ hoạt động. Nghĩa là, hệ thống phanh như vậy có hành động tự động. Đặc tính này của phanh giúp bổ sung thêm một khả năng khác để điều khiển phanh tàu, khả năng này vẫn được sử dụng trên các chuyến tàu chở khách cho đến ngày nay - hành khách dừng tàu khẩn cấp bằng cách kết nối đường phanh với khí quyển thông qua một van đặc biệt - phanh khẩn cấp (9).
Đối với những người đã quen thuộc với tính năng này của hệ thống phanh tàu, thật buồn cười khi xem những bộ phim trong đó những tên trộm cao bồi nổi tiếng đã tháo toa tàu chở vàng ra khỏi tàu. Để thực hiện được điều này, trước khi tháo khớp nối, các cao bồi phải đóng các van cuối trên đường phanh ngăn cách đường phanh với ống nối giữa các xe. Nhưng họ không bao giờ làm vậy. Mặt khác, van cuối đóng đã hơn một lần gây ra những thảm họa khủng khiếp liên quan đến hỏng phanh, cả ở đây (Kamensk năm 1987, Eral-Simskaya năm 2011) và nước ngoài.
Do việc làm đầy các xi lanh phanh xảy ra từ nguồn khí nén thứ cấp (bình dự phòng), không có khả năng bổ sung liên tục nên phanh như vậy được gọi là gián tiếp hành động. Việc nạp phanh bằng khí nén chỉ xảy ra khi phanh được nhả ra, điều này dẫn đến thực tế là khi phanh thường xuyên rồi nhả phanh, nếu không đủ thời gian sau khi nhả phanh, phanh sẽ không có thời gian để nạp đến áp suất cần thiết. Điều này có thể dẫn đến tình trạng phanh hoàn toàn bị cạn kiệt và mất khả năng kiểm soát phanh của tàu.
Phanh khí nén cũng có một nhược điểm khác liên quan đến thực tế là sự sụt giảm áp suất trong đường phanh, giống như bất kỳ sự xáo trộn nào, lan truyền trong không khí ở tốc độ cao nhưng vẫn hữu hạn - không quá 340 m/s. Tại sao không nhiều hơn? Bởi vì tốc độ của âm thanh là lý tưởng. Nhưng trong hệ thống khí nén của tàu hỏa có một số trở ngại làm giảm tốc độ lan truyền của độ sụt áp liên quan đến lực cản đối với luồng không khí. Vì vậy, trừ khi thực hiện các biện pháp đặc biệt, tốc độ giảm áp suất trong TM sẽ thấp hơn nếu toa xe càng ở xa đầu máy. Trong trường hợp phanh Westinghouse, tốc độ của cái gọi là làn sóng phanh không vượt quá 180 - 200 m/s.
Tuy nhiên, sự ra đời của phanh khí nén đã giúp tăng cả sức mạnh của phanh và hiệu quả điều khiển của chúng ngay từ nơi làm việc của người lái xe, tạo động lực mạnh mẽ cho sự phát triển của vận tải đường sắt, tăng tốc độ và trọng lượng của các phương tiện giao thông đường sắt. tàu hỏa, và kết quả là, doanh thu vận chuyển hàng hóa trên đường sắt tăng lên rất nhiều, độ dài của các tuyến đường sắt trên khắp thế giới tăng lên.
George Westinghouse không chỉ là một nhà phát minh mà còn là một doanh nhân dám nghĩ dám làm. Ông đã được cấp bằng sáng chế cho phát minh của mình vào năm 1869, điều này cho phép ông bắt đầu sản xuất hàng loạt thiết bị phanh. Khá nhanh chóng, phanh Westinghouse đã trở nên phổ biến ở Mỹ, Tây Âu và Đế quốc Nga.
Ở Nga, phanh Westinghouse ngự trị tối cao cho đến Cách mạng Tháng Mười, và trong một thời gian khá dài sau đó. Công ty Westinghouse đã xây dựng nhà máy phanh của riêng mình ở St. Petersburg, đồng thời cũng khéo léo đánh bật các đối thủ cạnh tranh khỏi thị trường Nga. Tuy nhiên, phanh Westinghouse có một số nhược điểm cơ bản.
Thứ nhất, phanh này chỉ cung cấp hai chế độ hoạt động: phanh cho đến khi xi lanh phanh được làm đầy hoàn toàn, và kỳ nghỉ - xả hết xi lanh phanh. Không thể tạo ra một lượng áp suất phanh trung bình khi bảo dưỡng lâu dài, tức là phanh Westinghouse không có chế độ lợp lại mái nhà. Điều này không cho phép kiểm soát chính xác tốc độ tàu.
Thứ hai, phanh Westinghouse không hoạt động tốt trên các chuyến tàu dài và mặc dù điều này bằng cách nào đó có thể được chấp nhận khi vận chuyển hành khách nhưng các vấn đề lại nảy sinh trong vận tải hàng hóa. Bạn có nhớ làn sóng phanh không? Vì vậy, phanh Westinghouse không có phương tiện để tăng tốc độ và trong một chuyến tàu dài, việc giảm áp suất trong dầu phanh ở toa cuối cùng có thể bắt đầu quá muộn và với tốc độ thấp hơn đáng kể so với ở đầu toa. tàu, điều này đã tạo ra sự hoạt động không đồng đều của các thiết bị phanh trên tàu.
Phải nói rằng mọi hoạt động của công ty Westinghouse, cả ở Nga vào thời điểm đó và trên toàn thế giới, đều thấm đẫm mùi tư bản của các cuộc chiến bằng sáng chế và cạnh tranh không lành mạnh. Đây là điều đảm bảo cho một hệ thống không hoàn hảo như vậy có thể tồn tại lâu dài, ít nhất là trong giai đoạn lịch sử đó.
Với tất cả những điều này, cần phải thừa nhận rằng phanh Westinghouse đã đặt nền móng cho khoa học phanh và nguyên lý hoạt động của nó vẫn không thay đổi trong các phanh xe lăn hiện đại.
2. Từ phanh Westinghouse đến phanh Matrosov - sự hình thành của khoa học phanh trong nước.
Gần như ngay lập tức sau khi phanh Westinghouse xuất hiện và nhận ra những thiếu sót của nó, đã nảy sinh những nỗ lực nhằm cải thiện hệ thống này hoặc tạo ra một hệ thống khác, về cơ bản mới. Đất nước chúng tôi cũng không ngoại lệ. Vào đầu thế kỷ XNUMX, Nga có mạng lưới đường sắt phát triển, đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo phát triển kinh tế và năng lực quốc phòng của đất nước. Việc tăng hiệu quả vận tải gắn liền với việc tăng tốc độ di chuyển và khối lượng hàng hóa được vận chuyển đồng thời, điều đó có nghĩa là vấn đề cải thiện hệ thống phanh đã được đặt ra khẩn cấp.
Động lực đáng kể cho sự phát triển khoa học phanh ở RSFSR và sau này là Liên Xô là sự suy giảm ảnh hưởng của vốn lớn phương Tây, đặc biệt là công ty Westinghouse, đối với sự phát triển của ngành đường sắt nội địa sau tháng 1917 năm XNUMX.
F.P. Kazantsev (trái) và I.K. Thủy thủ (phải) - người tạo ra phanh đường sắt nội địa
Dấu hiệu đầu tiên, thành tựu nghiêm túc đầu tiên của khoa học phanh trẻ trong nước, là sự phát triển của kỹ sư Florenty Pimenovich Kazantsev. Năm 1921, Kazantsev đề xuất một hệ thống phanh tự động tác động trực tiếp. Sơ đồ dưới đây mô tả tất cả các ý tưởng chính không chỉ do Kazantsev đưa ra và mục đích của nó là giải thích các nguyên tắc hoạt động cơ bản của phanh tự động cải tiến
Phanh tự động tác động trực tiếp: 1 - máy nén; 2 - bể chính; 3 - đường cung cấp; 4 — cần cẩu tàu hỏa; 5 — thiết bị cấp nước rò rỉ đường phanh; 6 — dây phanh; 7 — nối ống phanh; 8 - van cuối; 9 - van chặn; 10 - van một chiều; 11 — bình dự phòng; 12 — nhà phân phối không khí; 13 — xi lanh phanh; 14 — hộp số đòn bẩy phanh.
Vì vậy, ý tưởng chính đầu tiên là áp suất trong TM được điều khiển gián tiếp - thông qua việc giảm/tăng áp suất trong một bể chứa đặc biệt gọi là thap điêu AP (UR). Nó được thể hiện trong hình bên phải vòi của bộ điều khiển (4) và phía trên thiết bị cấp nguồn về rò rỉ từ TM (5). Mật độ của hồ chứa này về mặt kỹ thuật dễ đảm bảo hơn nhiều so với mật độ của đường phanh - một đường ống dài vài km và chạy qua toàn bộ đoàn tàu. Độ ổn định tương đối của áp suất trong UR giúp duy trì áp suất trong TM, sử dụng áp suất trong UR làm áp suất tham chiếu. Thật vậy, piston trong thiết bị (5) khi áp suất trong TM giảm, sẽ mở van nạp TM từ đường cung cấp, do đó duy trì áp suất trong TM bằng áp suất trong UR. Ý tưởng này vẫn còn một chặng đường dài để phát triển, nhưng giờ đây áp lực trong TM không còn phụ thuộc vào sự hiện diện của rò rỉ bên ngoài từ nó (đến một số giới hạn nhất định). Thiết bị 5 đã di chuyển đến cần cẩu của người vận hành và vẫn ở đó, dưới dạng đã được sửa đổi cho đến ngày nay.
Một ý tưởng quan trọng khác trong thiết kế của loại phanh này là việc cung cấp năng lượng từ dầu phanh qua van một chiều 10. Khi áp suất trong van phanh vượt quá áp suất trong van phanh, van này sẽ mở ra, làm đầy van từ phanh. dịch. Bằng cách này, những chỗ rò rỉ liên tục được bổ sung từ bình chứa dự trữ và phanh không bị hết.
Ý tưởng quan trọng thứ ba do Kazantsev đề xuất là thiết kế một bộ phân phối không khí hoạt động dựa trên sự chênh lệch không phải hai áp suất mà là ba - áp suất trong đường phanh, áp suất trong xi lanh phanh và áp suất trong buồng làm việc đặc biệt (WC), trong quá trình nhả, được cung cấp năng lượng từ áp suất từ đường phanh, cùng với bình dự phòng. Ở chế độ phanh, áp suất nạp bị ngắt khỏi bình dự trữ và đường phanh, duy trì giá trị áp suất nạp ban đầu. Đặc tính này được sử dụng rộng rãi trong phanh đầu máy toa xe để cung cấp khả năng nhả từng bước và kiểm soát tính đồng nhất của việc nạp TC dọc theo đoàn tàu trong các đoàn tàu chở hàng, vì buồng làm việc đóng vai trò là tiêu chuẩn cho áp suất nạp ban đầu. Dựa trên giá trị của nó, có thể cung cấp việc phát hành từng bước và tổ chức việc lấp đầy trung tâm mua sắm sớm hơn ở các toa xe đuôi. Tôi sẽ để lại mô tả chi tiết về những điều này cho các bài viết khác về chủ đề này, nhưng bây giờ tôi chỉ nói rằng công trình của Kazantsev đóng vai trò là động lực thúc đẩy sự phát triển của một trường khoa học ở nước ta, dẫn đến sự phát triển của khoa học gốc. hệ thống phanh đầu máy toa xe.
Một nhà phát minh Liên Xô khác có ảnh hưởng sâu sắc đến sự phát triển hệ thống phanh đầu máy toa xe trong nước là Ivan Konstantinovich Matrosov. Ý tưởng của ông về cơ bản không khác với ý tưởng của Kazantsev, tuy nhiên, các thử nghiệm vận hành tiếp theo của hệ thống phanh Kazantsev và Matrosov (cùng với các hệ thống phanh khác) đã cho thấy sự vượt trội đáng kể của hệ thống thứ hai về đặc tính hiệu suất khi được sử dụng chủ yếu trên tàu chở hàng. Vì vậy, phanh Matrosov với bộ phân phối khí là có điều kiện. Số 320 trở thành cơ sở cho việc phát triển và thiết kế thêm thiết bị phanh cho đường sắt khổ 1520 mm. Phanh tự động hiện đại được sử dụng ở Nga và các nước CIS có thể mang tên phanh Matrosov một cách chính đáng, vì nó đã tiếp thu, ở giai đoạn phát triển ban đầu, những ý tưởng và giải pháp thiết kế của Ivan Konstantinovich.
Thay vì một kết luận
Kết luận là gì? Làm việc trên bài viết này đã thuyết phục tôi rằng chủ đề này xứng đáng với một loạt bài viết. Trong bài viết thí điểm này, chúng tôi đã đề cập đến lịch sử phát triển của phanh xe lăn. Sau đây chúng ta sẽ đi vào những chi tiết thú vị, không chỉ đề cập đến phanh trong nước mà còn đề cập đến sự phát triển của các đồng nghiệp đến từ Tây Âu, nêu bật thiết kế phanh của nhiều loại và loại hình dịch vụ đầu máy toa xe. Vì vậy, tôi hy vọng chủ đề này sẽ thú vị và hẹn gặp lại bạn trên trung tâm!
Cám ơn vì sự quan tâm của bạn!
Nguồn: www.habr.com